TWI659675B - Plasma source and plasma processing device - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種能夠在氣體充分電離的狀態下將電漿供給至電漿處理空間的電漿源。電漿源10，係用以供給電漿到進行電漿處理的電漿處理空間中，包括：電漿生成室11；開口12，連通電漿生成室11與電漿處理空間；高頻天線13，設置於能夠將產生電漿所需要的既定強度的高頻電磁場產生到電漿生成室11內的位置，並且是圈數不滿1圈的線圈；電壓施加電極14，設置於電漿生成室11內的靠近該開口12的位置；以及氣體供給部(氣體供給管)15，將電漿原料氣體供給到電漿生成室11內的比電漿施加電極14更靠開口12的相反側的位置。

Description

電漿源以及電漿處理裝置
本發明係有關於成膜裝置或蝕刻裝置等中供給電漿用的電漿源、以及使用該電漿源的電漿處理裝置。
一般的電漿處理裝置中，在設置了被處理基體的處理室內導入氣體(以下，稱為「電漿原料氣體」)，在處理室內形成高頻電磁場使該氣體電漿化，再將解離的氣體分子入射到被處理基體，藉此對被處理基體的表面進行成膜、物理蝕刻、化學蝕刻等的處理。
對此，專利文獻1記載了處理容器(處理室)、一種裝置。這個裝置設置有與該處理容器透過開口連通並且容積比該處理容器小的電漿形成盒(電漿生成室)，並且在電漿形成盒的周圍設置感應耦合型的高頻天線，還設置將電漿原料氣體供給到電漿形成盒的氣體供給手段。這個裝置中，會在電漿形成盒內產生電漿，透過開口將該電漿供給到處理容器內，藉此在處理容器內進行使用電漿的處理。像這樣在比處理容器的容積小的電漿形成盒內產生電漿，藉此比起在處理容器內產生電漿更能夠提高高頻電磁場的能量的利用效率。
專利文獻1記載的電漿形成盒、高頻電線及氣體供給手段的組合會發揮處理容器的電漿供給源的功能。本說明 書中，會將這種處理容器(處理室)的電漿供給源稱之為「電漿源」。
專利文獻1：日本特開2009-076876號公報
然而，專利文獻1的裝置中，不只有電漿，在電漿形成盒中還沒有電漿化的氣體的一部分會通過開口流入處理容器。流入處理容器的氣體變得幾乎沒辦法接受到來自於電漿形成盒周圍的高頻天線的高頻電磁場，因而無法電漿化。
本發明所要解決的問題是提供一種電漿源、以及使用該電漿源的電漿處理裝置，能夠在氣體充分電離的狀態下將電漿供給到處理容器或處理室。
為了解決上述課題而完成的本發明提出一種電漿源，係用以供給電漿到進行電漿處理的電漿處理空間中，包括：(a)電漿生成室；(b)開口，連通該電漿生成室與電漿處理空間；(c)高頻天線，設置於能夠將產生電漿所需要的既定強度的高頻電磁場產生到該電漿生成室內的位置，並且是圈數不滿1圈的線圈；(d)電壓施加電極，設置於該電漿生成室內的靠近該開口的位置；以及(e)氣體供給部，將電漿原料氣體供給到該電漿生成室內的比該電漿施加電極更靠該開口的相反側的位置。
本發明的電漿源中，藉由使用圈數不滿1圈的線圈來做為高頻天線，能夠比起圈數1圈以上的線圈更能縮小高頻天線的阻抗，能夠抑制高頻電力的損失有效率地將能量使用於電漿生成。藉此，從氣體供給部供給到電漿生成室內的氣體 分子有效率地電離並電漿化。然後，藉由施加電壓到電壓施加電極間，促進從位於開口的相反側的氣體供給部供給到電壓施加電極間的氣體分子的電離，能夠防止未被電漿化的氣體從開口流出到電漿處理空間。
本發明的電漿源具有促進上述氣體分子的電離的優點，且也有藉由施加於電壓施加電極間的電壓使電漿點火變容易的優點。只有利用這個優點的情況下，也可以在電漿點火後停止電壓對電壓施加電極間的施加，或降低電壓。
施加於電壓施加電極的電壓比起直流電壓以高頻電壓為佳。藉由使用高頻電壓，更加促進氣體分子的電離，且即使在低製程壓力下也能夠將電漿點火。
高頻天線為了產生強的高頻電磁場於電漿生成室內，可以將對電漿具有耐性的材料所組成的保護構件設置於周圍下，然後設置於電漿生成室內。另一方面，如果將高頻天線設置於電漿生成室外的話，雖然電漿生成室內的高頻電磁場變弱，但不需要使用保護構件，能夠使構造簡單化。或者是，藉由將高頻天線設置於將電漿生成室與外部隔開的壁內，能夠一邊防止高頻天線暴露於電漿中，一邊產生一定程度的高頻電磁場於電漿生成室內。
導入高頻天線的高頻電流的頻率並沒有特別要求。該頻率典型上能夠使用商用高頻電源使用的13.56kHz。施加高頻電壓到電壓施加電極的情況下，該頻率雖然沒有特別要求，但是該頻率足夠高，即使電壓值低也能夠繼續進行電離的程度為佳。在處理容易且放電容易的點來看，高頻電壓的頻率 以VHF帶的10MHz~100MHz為佳。
本發明的電漿源能夠具備具有孔的加速電極，設置於該電漿生成室的外側面向該開口的位置，或者是該電漿生成室的內側比該電壓施加電極更靠該開口側的位置。藉由這個構造，能夠使用做為離子源，照射陽離子到配置於電漿處理空間(電漿源之外)的被處理物上。具體來說，將被處理物或者是保持被處理物的被處理物保持器接地，然後施加正電位到加入電極，藉此使電漿生成室內的氣體分子與電子電離後產生的陽離子通過加速電極的孔並且朝向該對象物加速。設置於加速電極的孔可以只有1個，也可以有複數個。
本發明的電漿處理裝置，包括該電漿源；以及電漿處理室，內部是該電漿處理空間。
利用本發明的電漿源，能夠在氣體充分電離的狀態下將電漿供給到電漿處理空間。
10、10A、10B‧‧‧電漿源
11‧‧‧電漿生成室
12‧‧‧開口
13‧‧‧高頻天線
14‧‧‧電壓施加電極
15‧‧‧氣體供給管
16、16A‧‧‧加速電極
16A1‧‧‧第1加速電極
16A2‧‧‧第2加速電極
16A3‧‧‧第3加速電極
16A4‧‧‧第4加速電極
20‧‧‧電漿處理裝置
21‧‧‧電漿處理室
22‧‧‧被處理物台
23‧‧‧電漿處理氣體導入管
24‧‧‧排氣管
111‧‧‧電漿生成室的壁
131‧‧‧保護管
151‧‧‧氣體供給管的前端
161‧‧‧第1高頻電源
162‧‧‧第2高頻電源
163‧‧‧直流電源
163A1‧‧‧第1直流電源
163A2‧‧‧第2直流電源
163A3‧‧‧第3直流電源
S‧‧‧被處理物台
第1圖係顯示本發明的電漿源的一實施例的剖面圖。
第2圖係顯示使用複數個高頻天線的本發明的電漿源的例子，(a)是立體圖；(b)是平行正面的剖面圖；(c)是平行側面的剖面圖。
第3圖係顯示離子飽和電流密度相對於製程壓力的實驗資料的圖表。
第4圖係顯示離子飽和電流密度相對於高頻天線的高頻電力的實驗資料的圖表。
第5圖係顯示本發明的電漿處理裝置的一實施例的剖面圖。
第6圖係顯示本實施例的電漿源的變形例的剖面圖。
第7圖係顯示本實施例的電漿源的其他變形例的部分放大剖面圖。
使用第1圖~第7圖，說明本發明的電漿源及電漿處理裝置的實施例。
本實施例的電漿源10如第1圖所示，具有電漿生成室11、開口12、高頻天線13、電壓施加電極14、氣體供給管15、及加速電極16。
電漿生成室11是介電體組成的壁111所包覆的空間，內部配置有高頻天線13及氣體供給部15的一端。開口12設置於電漿生成室的壁111且從第1圖的上側看具有狹縫形狀。從電漿生成室11觀看，開口12的外側相當於上述的電漿處理空間。
高頻天線13是將線狀的導體彎曲成U字形的天線，相當於圈數不滿1圈的線圈。高頻天線13的兩端部安裝於與開口12相對的電漿生成室11的壁111。高頻天線13的周圍被介電體製的保護管131所包覆。保護管131設置來用以保護高頻天線13以隔開如後述地電漿生成室11內產生的電漿。高頻天線13的一個端部連接到第1高頻電源161，另一端部接地。第1高頻電源161會以頻率13.56MHz將100~1000W的高頻電力供給到高頻天線13。
電漿生成室11的壁111中，相當於開口12的內壁面的部分設置有1對的電壓施加電極14。這個電壓施加電極14設置成夾住開口12附近的電漿生成室11內的空間，一個電極連接到第2高頻電源162，另一個電極接地。第2高頻電源162會以60MHz將50~500W的高頻電力供給到電極間。
氣體供給管15是以貫穿與開口12相對的電漿生成室11的壁111而設置的不鏽鋼製的管。電漿生成室11內的氣體供給管15的前端151配置於高頻天線13的U字內側，從電壓施加電極14看的話，位於開口12的相反側。電漿原料氣體從這個前端151供給到電漿生成室11內。氣體供給管15接地。從氣體供給管15供給的電漿原料氣體當中，能夠使用成膜原料氣體、化學蝕刻或物理蝕刻中用於產生離子的氣體、用於產生離子束的氣體等的各式各樣的氣體。
電漿生成室11的外側，在與開口12相對的位置配置了接地的被處理物保持器(未圖示)，在開口12與被處理物保持器之間的開口12附近的位置設置了加速電極16。另外，被處理物保持器不含在電漿源10中，電漿源10與被處理物保持器合起來構成電漿處理裝置。加速電極16是在鎢製的板狀構件上設置多數(複數)個孔而成的電極。另外，也可以使用鉬或石墨製的板狀構件來取代鎢。加速電極16連接有直流電源163，供給相對於接地100~2000V的正的電位。藉由這個構造，加速電極16與被處理物保持器之間，會形成使正離子朝向被處理物保持器側加速的直流電場。
現在說明本實施例的電漿源10的動作。一邊從氣 體供給管15的前端151供給電漿原料氣體到電漿生成室11內，且一邊從第1高頻電源161供給高頻電力到高頻天線13，從第2高頻電源162供給高頻電力到電壓施加電極14間。藉此，電漿在電漿生成室11內點火，在高頻天線13的附近電漿原料氣體的分子電離，產生電漿且同時促進在電壓施加電極14間的電漿中的氣體分子的電離。這樣產生的電漿中，有正離子與電子存在。產生的電漿會經過開口12通過設置在加速電極16的孔。然後，藉由直流電源163給予加速電極16相對於接地為正的電位，電漿中的正的離子會從加速電極16朝向被處理物保持器加速，通過設置於加速電極16的孔而供給到電漿處理空間。
本實施例的電漿源10能夠如上述使用加速電極16來加速正的離子，藉此產生離子束。這樣的離子束能夠藉由將被處理物先配置到被處理物保持器，而良好地使用於被處理物的蝕刻或離子注入等的處理。
高頻天線13的個數並不限定在1個，例如第2圖所示也可以設置複數個。第2圖所示的電漿源10A中，高頻天線13會沿著開口12的狹縫排列複數個(同圖中顯示5個，但個數並沒有限定)配置。本實施例中，高頻天線13的U字面平行於該狹縫(也就是說，高頻天線13的U字面的法線方向垂直於該狹縫的長方向)然而，該U字面的朝向並不限定於這個例子，電壓施加電極14使用了沿著開口12的狹縫長方向延伸的1組(2片)電極。像這樣藉由使用複數個高頻天線13，能夠供給電漿到廣闊的電漿處理空間。另外，第2圖中，省略 了各電源的圖示。又，第2圖沒有顯示加速電極，但也可以設置與第1圖的例子相同的加速電極。
以下，顯示使用本實施例的電漿源10進行實驗的結果。首先，將供給到高頻天線13的高頻電力固定為1000W(頻率為13.56MHz)，供給到電壓施加電極14的高頻電力固定為200W(頻率為60MHz)，在複數的製程壓力下，測量產生的電漿的離子飽和電流密度。為了用於比較，停止供給高頻電力至電壓施加電極14而只供給高頻電力(1000W、13.56MHz)給高頻天線13的情況下，以及停止供給高頻電力至高頻天線13而只供給高頻電力(200W、60MHz)給電壓施加電極14的情況下，也做相同的實驗。將這些實驗結果顯示於第3圖。從這些實驗結果中可以確認到，不管在測量範圍中的哪一個壓力，只供給高頻電力給高頻天線13及電壓施加電極14其中一者的情況下幾乎沒有辦法產生電漿，而將高頻電力供給至高頻天線13及電壓施加電極14的情況下就能夠產生電漿。
接著，將供給至電壓施加電極14的高頻電力固定在200W(頻率為60MHz)，將製程壓力固定在0.2Pa(第3圖中的最低壓力)，然後在供給高頻天線13的高頻電力不同的複數情況下測量產生的電漿的離子飽和電流密度。實驗結果顯示於第4圖。供給到高頻天線13的高頻電力越大，電漿的離子飽和電流密度就變得越高。從這個結果可以確認到高頻天線13有效地發揮產生電漿的功能。
第5圖顯示本發明的電漿處理裝置的一實施例。 這個電漿處理裝置20具有上述的電漿源10、內部空間連通到該電漿源10的開口12的電漿處理室21、設置於電漿處理室21內且載置被處理物S的被處理物台22、將電漿處理氣體導入電漿處理室21的電漿處理處理氣體導入管23排出電漿處理室21內的氣體的排氣管24。電漿處理室21的內部空間相當於前述的電漿處理空間。另外，電漿處理氣體導入管23是在例如將成為薄膜原料的原料氣體的分子以電漿分解，並堆積到被處理物(基板)S上的這樣的情況下，使用於供給該原料氣體。如果是在用來自電漿源10的電漿直接蝕刻被處理物S的情況下，能夠能省略電漿處理氣體導入管23。
這個電漿處理裝置20中，首先使用真空泵(未圖示)通過排氣管24排出電漿處理室21內的氣體(空氣)，在必要的情況下將既定的氣體從電漿處理氣體導入管23供給到電漿處理室21內。然後，藉由如上述地使電漿源10動作，從開口12導入電漿到電漿處理室21內，進行對被處理物S等的薄膜材料堆積或蝕刻等的處理。
在此，說明了在電漿處理裝置中使用電漿源10的例子，也可以使用上述的電漿源10A。藉此，使用電漿源10A的話，從狹縫狀的開口12供給電漿到電漿處理室內，能夠對長型的被處理物進行薄膜材料的堆積或蝕刻等的處理。
本發明並不限定於上述實施例。例如，高頻天線13的形狀除了上述的U字形以外，也能夠是半圓等的部分圓形、矩形等各種圈數在1圈以下的各種形狀。又，高頻天線13也可以設置在電漿生成室11之外，也可以設置在壁111內。 在這些情況下，不需要將保護管131設置在高頻天線13的周圍，壁111可以使用介電體製的材料。從第1高頻電源161供給到高頻天線13、或者是從第2高頻電源162供給到電壓施加電極14間的高頻電力的大小及頻率，以及從直流電源163供給到加速電極16的電位的大小任一者都不限定於前述。又，也可以取代高頻電壓，施加直流電壓到電壓施加電極14上。
氣體供給管15的前端151設置於比電壓施加電極14更靠開口12的相反側即可，例如，第6圖所示的電漿源10B，也可以設置在比高頻天線13更靠開口12側。
加速電極16設置在比電壓施加電極14更靠開口12側即可，例如第6圖所示，也可以設置在電漿生成室11的內側。又，設置到加速電極16的孔可以如前述的複數個，也可以只有1個。又，也可以省略加速電極16，使用從開口自然地流入電漿處理空間的電漿。
又，如第7圖所示，也可以設置由複數片的電極所組成的加速電極到開口12側。這個例子中，使用了從靠近開口12的位置依序為第1加速電極16A1~第4加速電極16A4的4片電極所組成的加速電極16A。第1加速電極16A1會藉由第1直流電源163A1來施加正離子加速所必要的正電位，第2加速電極16A2為了調整電漿的銷形狀而會藉由第2直流電源163A2來施加與第1加速電極16A1相反符號的負電位，第3加速電極16A3為了調整束的擴展而會藉由第3直流電源163A3來施加與第2加速電極16A2相同符號的負電位，第4加速電極16A4會給予接地電位。
目前為止說明的電漿源的變形例任一者都無疑地能夠使用來做為上述電漿處理裝置中的電漿源。

Claims (8)

  1. 一種電漿源，係用以供給電漿到進行電漿處理的電漿處理空間中，包括：(a)電漿生成室，具有產生電漿的電漿生成空間、以及將該電漿生成空間與該電漿處理空間分隔的壁；(b)開口部，設置於該壁，且連通該電漿生成空間與電漿處理空間；(c)高頻天線，設置於能夠將產生電漿所需要的既定強度的高頻電磁場產生到該電漿生成空間內的位置，並且是圈數不滿1圈的線圈；(d)1對的電壓施加電極，設置於該開口部或者是該電漿生成空間內的該開口部的附近；以及(e)氣體供給部，將電漿原料氣體供給到該電漿生成空間內的比該電漿施加電極更靠該開口部的相反側的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿源，其中該電壓施加電極連接了施加高頻電壓的高頻電源。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電漿源，其中該高頻電壓具有10MHz~100MHz。
  4. 如申請專利範圍第1~3項任一項所述之電漿源，更包括：具有孔的加速電極，設置於該電漿生成室的外側面向該開口部的位置，或者是該電漿生成室的內側比該電壓施加電極更靠該開口部側的位置。
  5. 如申請專利範圍第1~3項任一項所述之電漿源，其中該開口部具有狹縫形狀，該1對的電壓施加電極各自具有平行於該狹縫的面，該面彼此相向地設置。
  6. 一種電漿處理裝置，包括：如申請專利範圍第1~3項任一項所述之電漿源；以及電漿處理室，內部是該電漿處理空間。
  7. 一種電漿處理裝置，包括：如申請專利範圍第4項所述之電漿源；以及電漿處理室，內部是該電漿處理空間。
  8. 一種電漿處理裝置，包括：如申請專利範圍第5項所述之電漿源；以及電漿處理室，內部是該電漿處理空間。
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